性能優(yōu)異的輪翼飛機

金色時代

% b# z5 c: h+ v+ w& I) I

輪翼飛機

一、垂直起降與航程/航速的矛盾及現(xiàn)有解決方案：

眾所周知，直升飛機由于能垂直起降，使用方便靈活，但平飛時由于前行槳葉的激波失速和后行槳葉的氣流分離失速，使其平飛時耗油量大，航程較短，飛行速度慢，實用升限小；固定翼飛機平飛時耗油量小，航程較長，飛行速度快，實用升限大，但需昂貴的機場才能起降，使用不方便靈活。垂直起降與航程/航速的矛盾似乎難以調(diào)和，制造出一種既能象直升機那樣能方便垂直起降又能象固定翼飛機那樣能高效平飛的飛機是航空界的夢想。

為此人們制造出了直升機和固定翼飛機的結(jié)合體――傾轉(zhuǎn)旋翼飛機，即美國的Ｖ－22魚鷹傾轉(zhuǎn)旋翼飛機。Ｖ－22魚鷹傾轉(zhuǎn)旋翼飛機不僅能垂直起降，而且航程是直升機的6倍，但由于傾轉(zhuǎn)旋翼飛機在傾轉(zhuǎn)旋翼時飛機重心會發(fā)生改變，使得Ｖ－22成為事故率最高的飛機（超過了直升機和固定翼飛機），其服役時間雖短但卻被多次停飛，高事故率現(xiàn)狀使傾轉(zhuǎn)翼飛機難以大規(guī)模應(yīng)用和普及，這也是除美國外其它國家未研制傾轉(zhuǎn)旋翼飛機的原因。

高速直升機如美國的X2、歐洲的X3和俄羅斯的卡92仍是直升機的改進版，由于巨大的旋翼阻力存在，無法在提高航程和航速上取得實質(zhì)性的突破。

上述解決方案都未逃脫旋翼的概念。

矢量推升的鷂式、雅克、F-35在垂直起降時耗油巨大，嚴重犧牲了飛機的滯空時間，經(jīng)濟和效能上十分不劃算，目前只部分用在有特殊要求的軍機上。

看來，要想真正解決垂直起降與航程/航速的矛盾必須從全新的概念出手才容易取得突破。

二、對蜂鳥懸停的研究：

蜂鳥能在空中自由起降、懸停、飛行。如果我們仔細觀察鳥類用翅膀產(chǎn)生升空或懸停的升力過程就會發(fā)現(xiàn)：鳥翅膀上下煽動時，通過向上煽動時（上行程）收折翅膀、向下煽動時（下行程）展開翅膀，來實現(xiàn)（達到）上下煽動時的迎風面積不同,使向上煽動的風阻力小于向下煽動的風阻力，從而形成上下煽動的風阻力差異，風阻差異形成的差力就是鳥抵抗重力的升力。

蜂鳥翅膀以很高頻率上下煽動（７５次／分鐘），難以在煽動過程中收折翅膀，但翅膀上凸下凹的形狀使翅膀向上煽動時凸面迎風阻力小、而在向下煽動時凹面迎風阻力大（如圖1），在上下煽動時也會產(chǎn)生較小的風阻差異，當蜂鳥翅膀上下煽動頻率達到一個較高數(shù)值時，每一次上下煽動產(chǎn)生的較小風阻差異，就會合成較大的風阻差異，這個風阻差異形成的差力就是蜂鳥升起和懸停在空中的升力。

同理，人類潛水時使用的腳蹼也是利用后蹬和收腿這個往返行程的水阻差異形成的差力來產(chǎn)生向前推進力的。

這就是說，利用往返行程的流體阻力差異形成的差力來產(chǎn)生力是可行的。

如果人類要造出象蜂鳥那樣能垂直起降且姿態(tài)控制能力極高的飛行器，就要用機器來實現(xiàn)上述風阻差異，即必須使上行程風阻小于下行程風阻，通過上下行程風阻差力來產(chǎn)生垂直起降和懸停的升力。

三、輪翼的原理：

如圖2，一個輪翼實際上是由多個小機翼(子翼)組合而成的復(fù)合體，外形有點像收割機的撥禾輪，因工作時小機翼能像輪子一樣轉(zhuǎn)動，所以叫輪翼。它主要由子翼、子軸、輻條、主軸四個部件組成，以及配套的驅(qū)動控制系統(tǒng)。主軸與子翼／子軸平行，輻條與主軸／子軸垂直。主軸可帶動整個輪翼轉(zhuǎn)動（公轉(zhuǎn)），子翼可繞子軸自轉(zhuǎn)，即子翼既可自轉(zhuǎn)又可公轉(zhuǎn)，用子翼自轉(zhuǎn)來控制公轉(zhuǎn)中的子翼攻角/傾角從而產(chǎn)生徑向力——這正是輪翼最巧妙之處。

通常輪翼象普通機翼那樣在機身兩側(cè)各安裝一個，輪翼的主軸連接機身，輪翼的主軸與飛機機身的中軸線垂直。

輪翼是用二個或二個以上的小機翼(子翼)均勻分布在公轉(zhuǎn)周園上，每個子翼的子軸（P1P2和P1’P2’）通過輻條（P1P1’和P2P2’）與輪翼的主軸（O1O3）相連, 子翼不僅可繞自身的軸（子軸）自轉(zhuǎn)，而且也可繞輪翼的主軸（中心軸）公轉(zhuǎn)。通過子翼繞自身的子軸自轉(zhuǎn)來控制公轉(zhuǎn)中的子翼攻角/傾角，就可實現(xiàn)上行程風阻小于下行程風阻，從而產(chǎn)生垂直起降和懸停的升力及前進的推力；當飛機需要平飛時將子翼的弦線鎖定至水平狀態(tài)，此時利用飛機上的發(fā)動機推進，就變成了固定翼飛機。由此可見輪翼飛機既具有類似直升機的垂直起降性能，又具有固定翼飛機的優(yōu)良平飛性能，不僅較好地解決了垂直起降與平飛航程/航速的矛盾，而且在垂直起降與平飛狀態(tài)轉(zhuǎn)換時不會改變飛機重心，同時還具有極高的機動性能（可輕易完成比超級眼鏡蛇動作更難的動作）。

注：下面說明輪翼的工作過程都是從圖2的綠箭頭方向觀察輪翼的。

四、簡單輪翼：

為了說明問題，先說簡單輪翼：如圖3是簡單輪翼側(cè)面視圖，主軸帶動輪翼反時針旋轉(zhuǎn)（公轉(zhuǎn)），其轉(zhuǎn)動角速度恒定是ω，同時子翼也以相同的角速度ω繞自身的子軸順時針自轉(zhuǎn)。由于每個子翼繞主軸公轉(zhuǎn)的角速度等于繞子軸自轉(zhuǎn)的角速度，即子翼從時鐘０點位置經(jīng)９點公轉(zhuǎn)至６點位置過程中子翼既公轉(zhuǎn)了180o又自轉(zhuǎn)180 o，因此子翼就會在公轉(zhuǎn)園周上所有位置形成凸面朝上凹面朝下的狀態(tài)，這樣子翼在公轉(zhuǎn)左半周以凹面朝下運動風阻大（類似蜂鳥翅膀向下煽動時凹面迎風阻力大）、而在公轉(zhuǎn)右半周以凸面朝上運動風阻小（類似蜂鳥翅膀向上煽動時凸面迎風阻力小），即一個子翼轉(zhuǎn)動一周會產(chǎn)生一個向上的風阻差力，這個力雖然較小，但輪翼高速轉(zhuǎn)動時這個差力就會變大。這就象直升機的旋翼低速轉(zhuǎn)動時升力很小，但高速轉(zhuǎn)動時升力就會變很大一樣。

通過分析簡單輪翼的工作原理，我們很明晰地看到輪翼確實能產(chǎn)生升力（其實可在任何徑向產(chǎn)生推力），不要小看這點，它意味著人類已突破旋翼的概念框架，輪翼這種新概念工作原理有可能引發(fā)一場航空變革。

五、輪翼直升機：

簡單輪翼和旋翼一樣能通過不停的轉(zhuǎn)動來產(chǎn)生升力，用簡單輪翼可制造出一種新式“輪翼直升機”：在機身兩側(cè)縱向安置兩個（或多個）簡單輪翼，它的主軸和子翼與飛機機身的中軸線平行（如圖11），當機身兩側(cè)兩個簡單輪翼互為反方向轉(zhuǎn)動時就會如圖3那樣產(chǎn)生升力，并由推進器（如螺旋槳）推動前進；通過對兩側(cè)兩個輪翼的轉(zhuǎn)速及子翼傾角的調(diào)節(jié)可獲得超凡機動性。

由于新式“輪翼直升機”的旋轉(zhuǎn)面緊湊，展開面積小，無前行槳葉的激波失速和后行槳葉的氣流分離失速，所以飛行阻力比普通直升機小、速度和航程更大、站地面積更小（非常適用于艦船上）、機動能力更強，飛行性能遠優(yōu)于普通直升機。

六、比較復(fù)雜的輪翼：具有直升能力的固定翼飛機

簡單輪翼制作的“輪翼直升機”和旋翼一樣只能通過不停的轉(zhuǎn)動來產(chǎn)生升力，盡管飛行性能遠優(yōu)于普通直升機。它仍不是我們的追求目標，下面我們來了解一個比較復(fù)雜輪翼。

這種比較復(fù)雜輪翼是在飛機兩側(cè)對稱安置輪翼，輪翼的主軸和子翼與飛機機身的中軸線垂直（如圖2），它的子翼采用的是下翼面凹進的機翼——勺狀機翼，很多年前人們就認識到產(chǎn)生最大升力的最有效率的機翼是一種有凹陷的下表面的勺狀機翼，早期的固定翼飛機飛行速度較慢，為獲得更大升力許多飛機就是采用這種勺狀機翼。子翼采用勺狀機翼后，當子翼的自轉(zhuǎn)角速度與公轉(zhuǎn)角速度相等時子翼在公轉(zhuǎn)周上就會形成圖4的姿態(tài)，由于凹形迎風面的風阻力大，凸形迎風面的風阻力小，凹凸形迎風面的風阻力有差別，子翼從12點→9點→6點段（下行程）的風阻大于6點→3點→0點段（上行程）的風阻，輪翼獲得風阻差的合力向上，提高公轉(zhuǎn)速度可使風阻差的合力增大，這個力就是可使飛機垂直起降和懸停在空中的升力。當飛機升到一定高度后，開動推進發(fā)動機使飛機平飛，平飛速度足夠大時子翼按序停止公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)，將子翼的弦線鎖定至水平狀態(tài)（如圖5），即成固定翼飛機平飛，這時輪翼飛機如同一架雙翼飛機，飛行時阻力與固定雙翼飛機相近，其速度和航程比直升機大許多，且具有垂直起降能力。

從平飛轉(zhuǎn)入垂直降落的過程則是其逆過程。

七、實用的輪翼結(jié)構(gòu)和工作方式：

實用的輪翼如圖2，包括：主軸O1O3、輻條P1P1’和P2P2’、子軸P1P2和P1’P2’、子翼和驅(qū)動控制系統(tǒng)。主軸連接機身和輪翼，并可由帶動整個輪翼繞主軸旋轉(zhuǎn)（即公轉(zhuǎn)）；輻條(板)連接主軸和子軸；子翼可繞子軸旋轉(zhuǎn)（即自轉(zhuǎn)），輪翼的這種結(jié)構(gòu)使子翼既可自轉(zhuǎn)又可公轉(zhuǎn)。

輪翼的工作方式按子翼運轉(zhuǎn)方式可分為：

（１）單向轉(zhuǎn)動方式――每一次公轉(zhuǎn)子翼的排向是固定的，如圖6；

（２）雙向轉(zhuǎn)動方式――奇次公轉(zhuǎn)與偶次公轉(zhuǎn)子翼的排向是相反的，如圖7，黑色實線是奇次公轉(zhuǎn)的子翼，紅色虛線偶次公轉(zhuǎn)的子翼。

雙向轉(zhuǎn)動方式論述篇幅較長，這里重點分析單向轉(zhuǎn)動工作方式，為了便于描述，假設(shè)公轉(zhuǎn)逆時針，將公轉(zhuǎn)一周按時針表盤分別設(shè)定幾個位置：0∶00(0點)、1∶30(1點半)、3∶00(3點)、4∶30(4點半)、6∶00(6點)、7∶30(7點半)、9∶00(9點)、10∶30(10點半)，共八個位置（如圖6）。下面分別說明輪翼飛機從垂直起飛到平飛的工作過程。

1、垂直起飛/降落過程：

圖6是輪翼側(cè)面視圖，主軸帶動輪翼反時針旋轉(zhuǎn)（公轉(zhuǎn)），其轉(zhuǎn)動角速度恒定是ω：

（1）在0∶00→9∶00→6∶00段，子翼弦線水平地從0∶00位置開始以角速度ω繞自身的子軸順時針自轉(zhuǎn)，由于子翼以相同的角速度ω既自轉(zhuǎn)又公轉(zhuǎn)，使子翼弦線始終保持水平，從而使子翼在0∶00→9∶00→6∶00段公轉(zhuǎn)中因迎風面積大造成風阻力較大，根據(jù)作用力和反作用力原理，子翼會受到一個較大的反作用力F1，且其方向垂直向上。

（2）、在6∶00→4∶30段子翼以4ω的角速度逆（或順）時針自轉(zhuǎn)，在4∶30位置子翼弦線與公轉(zhuǎn)圓周切線平行。

（3）、在4∶30→3∶00→0∶00段子翼不自轉(zhuǎn)只公轉(zhuǎn)，子翼弦線始終與公轉(zhuǎn)圓周切線保持平行，使子翼在這段公轉(zhuǎn)中因迎風面積小造成風阻力較小，根據(jù)作用力和反作用力原理，子翼會受到一個較小的反作用力F2，且其方向垂直向下。

由于子翼在0∶00→9∶00→6∶00段產(chǎn)生的風阻反作用力F1大于在4∶30→3∶00→0∶00段產(chǎn)生的風阻反作用力F2，兩力的差F1－F2就是輪翼獲得的升力。

（4）形象地說：子翼在0∶00→9∶00→6∶00段如同蜂鳥翅膀向下煽動（產(chǎn)生較大的風阻），而子翼在6∶00→3∶00→0∶00段如同蜂鳥翅膀向上煽動（產(chǎn)生較小的風阻）——這就是輪翼能象鳥類翅膀那樣獲得的升力的原因。

圖7則是雙向轉(zhuǎn)動方式垂直起飛/降落過程示意圖，子翼在6∶00→3∶00→0∶00段不自轉(zhuǎn)只公轉(zhuǎn)，子翼弦線始終與公轉(zhuǎn)圓周切線保持平行，使子翼在這半周段公轉(zhuǎn)中因迎風面積小造成風阻力小于另半周，從而產(chǎn)生差力使輪翼獲得升力。

2、垂直起飛過渡成平飛過程：

當飛機升到空中后，讓子翼在9∶00→6∶00段停止自轉(zhuǎn)，使子翼弦線始終與公轉(zhuǎn)圓周切線保持垂直，其余各公轉(zhuǎn)段仍按上述垂直起飛過程方式運行，這時就會形成如圖8的運行方式，此時子翼在0∶00→9∶00→6∶00段的風阻大于子翼在6∶00→3∶00→0∶00段產(chǎn)生的風阻，子翼仍產(chǎn)生升力，同時在9∶00→6∶00段子翼以最大面積向后滑動又會產(chǎn)生向前的推力，這樣輪翼獲得升力的同時又獲得了向前的推力，配合啟動推進發(fā)動機就可完成從垂直起飛過渡成平飛過程，還可用于短距滑跑起降。當然也可以完成懸停倒飛等懸停平移動作（這在艦船上降落時很重要）。

3、平飛過程：

在前面“四、簡單輪翼”一節(jié)說了，當子翼以和公轉(zhuǎn)相同的角速度ω繞自身的子軸自轉(zhuǎn)時，子翼的弦線始終保持水平（即與飛機機身的中軸線平行）。當輪翼飛機平飛速度達到較大時，讓子翼的自轉(zhuǎn)角速度與輪翼公轉(zhuǎn)角速度相同（都是ω），使子翼的弦線始終保持水平，并逐步降低ω，最后停止自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，將子翼的弦線鎖定至水平狀態(tài)（圖5）平飛，即成固翼飛機。而從平飛狀態(tài)轉(zhuǎn)入垂直起降則是其逆過程。

通過在公轉(zhuǎn)周上不同位置調(diào)整子翼的方向（子翼公轉(zhuǎn)的攻角）來控制子翼公轉(zhuǎn)風阻的大小，可以使一個公轉(zhuǎn)周中的“半周風阻”大于另一“半周風阻”，這個風阻差所產(chǎn)生的力就是“輪翼力”， “輪翼力”可在輪翼公轉(zhuǎn)周半徑的任意方向產(chǎn)生推力，它不僅可用于產(chǎn)生垂直起降的升力，而且可使飛機具備超級機動性能，如０半徑轉(zhuǎn)彎、０半徑翻筋斗、倒掛懸停／倒飛、翻身懸停／倒飛等等，用輪翼飛機做眼鏡蛇或超級眼鏡蛇飛行動作易如反掌。可以說輪翼飛機的超級機動性能超過了任何人造飛行器及自然界的鳥和昆蟲。

當飛機打開推進發(fā)動機平飛時，將子翼的弦線鎖定至水平狀態(tài)即成固定翼飛機。此時可根據(jù)需要將子軸固定在０－６點鐘位置、３－９點鐘位置或其它位置。若將兩個子翼固定在10－4點鐘位置時，前面子翼還能對后面的子翼產(chǎn)生誘導升力（和鴨式前翼類似）。由于子翼的攻角可人為調(diào)節(jié)，平飛時通過調(diào)節(jié)子翼的攻角可獲得一些額外性能，如大升力、抗失速、急升急降、急剎車等等。所以說輪翼飛機解決了垂直起降和高效平飛的矛盾，同時還有超高機動性能。

通過在子翼內(nèi)腔內(nèi)裝入精密控制電機或電動機構(gòu)來控制子翼的自轉(zhuǎn)，此時子軸是電機定子、子翼是電機轉(zhuǎn)子。也可通過偏心隨轉(zhuǎn)機構(gòu)或滑盤來控制子翼的自轉(zhuǎn)。主軸公轉(zhuǎn)由機上發(fā)動機動力或電機驅(qū)動。

八、輪翼飛機整體布局和變形：

輪翼工作時會產(chǎn)生力矩，為抗衡這個力矩，可設(shè)涵道式尾漿，水平放置在機尾或雙尾垂翼之間，涵道由柵片開閉（如圖9）。還可讓左右輪翼公轉(zhuǎn)互相反轉(zhuǎn)來抗衡力矩；或?qū)�單�?cè)輪翼共軸反轉(zhuǎn)來抗衡力矩（如圖10）。

為了減少平飛時的阻力，可對主軸外包翼形整流外殼。對輻條和子軸的強度進行提高后，可取消與子軸平行部分的主軸（即圖2中O2至O3部分的主軸），成為“無軸輪翼”，這樣可減少平飛時的阻力。此外輻條可以作成能伸縮式的，這樣在垂直起降公轉(zhuǎn)時適當伸長，而在平飛時縮短。

九、性能描述：

（１）垂直／短距起降+大航程。

（２）超凡機動性，如可完成倒立懸停、翻身倒飛、零半徑機動等。

（３）實用升限和航程都較大，在軍民領(lǐng)域：如空運／艦艇／航母／西藏／南海／無人機/特種作戰(zhàn)等領(lǐng)域有廣泛用途。

    比如我國的航母采用滑躍起飛方式，不能起飛較重的預(yù)警機、加油機和電子戰(zhàn)飛機，而這些飛機卻是航母最重要的力量倍增器，向美國采購彈射器難度極高，在這種情況下采用輪翼飛機制作預(yù)警機、加油機和電子戰(zhàn)飛機是不錯的選擇。
    在南沙群島有豐富的石油資源，但距我國本土距離較運，普通直升機航程不夠，固定翼飛機航程夠又無法起降，這是我國開發(fā)南沙群島石油資源滯后的原因。輪翼飛機航程大又能垂直起降，可用于南沙群島石油資源的開發(fā)。

十、無人機采用輪翼有很多明顯好處，例如普通無人機采用的滑降、傘降和網(wǎng)降等降落方式很難在艦艇上完成，這也是無人機在艦艇上應(yīng)用不廣泛的原因，而輪翼飛機所具有的垂直起降性能可很好解決這些問題，從而可達到力量倍增的效果。

（李劍）

金色時代

世界航空史上，固定翼飛機90%的飛行事故發(fā)生在起飛、降落階段，但直升飛機發(fā)生在起飛、降落階段的飛行事故反而下降，說明垂直起降不僅更方便，還可有效減少飛行事故。輪翼飛機既能垂直起降又能象固定翼飛機那樣高效平飛，用作民航客運和貨運有很多優(yōu)點。

無路車

日媒稱中國垂直起降戰(zhàn)機順利試飛 比殲20更先進http://mil.news.sohu.com/20120419/n340984797.shtml

無路車

視頻: 風火輪滾翼機-西北工業(yè)大學http://v.youku.com/v_show/id_XMzIwMDk2NTg4.html